（机械工程专业论文）齿轮轴液压校直机的半自动化改造.pdf

中文摘要 齿轮轴是汽车变速箱中的重要零件，在机械加工过程中其轴心线会产生弯曲 变形，为满足精度要求，需要通过校直工艺矫j 下变形量。某齿轮有限公司是我国 加工汽车变速箱大型企业，年产变速箱三十余万套。每年加工的二百余万件齿轮 轴，全部需要经过校直工艺校直。目前该企业利用y h l o 4 0 液压压装机提供校 直力，采用人工手动检测、定位和齿轮轴校直，校直效率低，校直质量不稳定， 提高校直精度和校直效率成为提高该企业生产效率的关键。 现在已有全自动校直机产品问世，大大提高了轴类零件校直工艺的效率和质 量。但全自动校直机价格昂贵，对于象齿轮轴这样形状复杂的零件，其校直效率 也不能达到理想水平。企业现有用于校直的液压压装机多台，而且有一定数量的 技术工人，对现有设备进行改造，既节省投资，又能辅助技术工人提高校直精度。 本项研究即是对现有手动液压压装机进行半自动化改造，设计开发齿轮轴变 形检测和检测数据的计算机处理系统，以及承担支撑定位功能的校直工艺辅助机 构等。本项目主要取得了以下研究结果： 1 ) 在分析已有文献的基础上，论述了轴类零件在校直过程中的应力、应变 等参量变化规律。 2 ) 对系列齿轮轴零件变形规律进行了统计研究，根据统计结果进行了支撑 定位机构设计。 3 ) 设计了基于位移传感器的计算机自动数据采集和处理系统，实现齿轮轴 弯曲变形和弯曲方向的自动检测，以及检测结果的显示输出。 4 ) 对校直工作台进行了设计，包括齿轮轴弯曲变形自动检测机构、工件转 动驱动等结构。 5 ) 针对现有不同种类的齿轮轴零件，在统计数据的基础上，依据校直理论 设计了组合支撑结构。 关键词：变速箱齿轮轴校直液压校直机半自动化改造 a b s t r a c t g e a r - s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ev e h i c l e ss p e e dt r a n s m i s s i o n c a s e ，w h i c hf u n c t i o n e di nt h ec h a n g eo fs p e e do fv e h i c l e s i na v o i do fm a k i n gt h e g e a r - s h a f td i v e r g ei t sc e n t r a la x e sd u r i n gi t sm e c h a n i cp r o c e s s i n g ，t h es t r a i g h t e n i n go f g e a r - s h a f ti sn e c e s s a r ya n de s s e n t i a lf o rm e e t i n gt h eh i 曲d e m a n do fg e a r - s h a f q u a l i t y o n eg e a rc o m p a n yl t d i sa b i gc o m p a n yp r o d u c i n gt r a n s m i s s i o nc a s ei nc h i n a i no n ey e a r , a b o u tt w om i l l i o ng e a r - s h a f t sa r ep r o d u c e dr e a d yt ob es t r a i g h t e n e db ya m a n n a lc o n t r o l ly a l o 4 0h y d r a u l i cm a c h i n e w h i c hn e e d e dm a nt od e t e c t p o s i t i o n a n dm o d i f yt h ed i v e r g e n c eo fg e a r - s h a f t sc e n t r a la x e s u n f o r m n a t e c yt h eq u a l i t yo f g e a r - s h a f ti su n s t a b l ee v e na m o n gg e a r - s h a f t si no n es e to f p r o d u c t s 1 1 1 ew o r ki sl a b o r a n dt i m ec o n s u m e da n d 、i t l ll o we f f i c i e n c y n od o u b t t h em a c h i n en e e d e dt ob e i m p r o v e d a u t o m a t i ch y d r a u l i cm a c h i n e sa r ea p p l i e di nt h es t r a i g h t e n i n go fm e c h a n i c a l p a r t sw i t ha x e s ，w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e dt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fs t r a i g h t e n i n g w o r k h o w e v e r , b e c a u s em o s ta u t o m a t i ch y d r a u l i cm a c h i n e ss t r a i g h t e n e dt h ea x e s b a s e do nt h eo p t i c a lt h e o r y , w h i c hi n e v i t a b l yr e m a i ns o m ee r r o r sw h e nt h e ya r eu s e d t os t r a i g h t e ng e a r - s h a f tw i t hc o m p l i c a t es h a p e s u t i l i z i n ga u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n g m a c h i n e si sn o to n l yc o s t l yb u ta l s on od e f i n i t et om e e tt h eh i g hd e m a n do fg e a r - s h a f t q u a l i t y t h ec o m p a n yh a ds e v e r a lm a n u a lh y d r a u l i cm a c h i n e sa n dag o o dl a r g en u m b e ro f t e c h n i c a lw o r k e r s t h e r e f o r e ，i m p r o v e m e n to nt h ep r e s e n th y d r a u l i cm a c h i n ew o u l d n o to n l ys a v ei n v e s t m e n tc o s to nt h ep u r c h a s eo fn e we q u i p m e n t s ，b u ta l s oh e l pt h e t e c h n i c a lw o r k e r st oi n c r e a s et h ep r e c i s es t r a i g h t e n i n go fg e a r - s h a f a i m i n gt ot h es e m i a u t o m a t i ci m p r o v e m e n to nt h em a n n a lh y d r a u l i cm a c h i n e t h e m a i nc o n t e n ti n c l u d e dt h ed e v e l o p m e n to fn e wt e c h n i q u e st od e t e c tt h ed i s t o r t i o no f g e a r - s h a fa x e s ，a u t o m a t i c a l l yp r o c e s st h ed e t e c t i o nd a t au s i n gc o m p u t e r , a n do p t i m i z e t h ed i m e n s i o n a lr e l a t i o n s h i po fa f f i l i a t e dp a r t st os u p p o r tt h ep r e c i s es t r a i g h t e n i n go f g e a r - s h a f t s t h em a i nr e s u l t so f t h es t u d ya r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nt h ec o n s u l to fr e f e r e n c e s t h ec h a n g e so fs o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha s s t r e s s ，s t a i n ，e t c d u r i n gt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e da n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e mi sc o n c l u d e d 2 t h ed i s t o r t i o nd e g r e e so fd i f f e r e n tt y p eo fg e a r - s h a f tp a n sa r es t a t i s t i c a l l y c a l c u l a t e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep o s i t i o n si na x e ss h o u l d e ra n db e t w e e n t w os p l i n e sa r ep r o n et ob ed i s t o r t e d t h em a x i m u md i s t o r t i o nd i s t a n c ei sn o tm o r e t h a n0 6m m t h e r e f o r e d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e ri ss e l e c t e di nt h es t u d y t l l i s c o n c l u s i o ni sa l s oab a s i so fd e v i s i yt h es u p p o r ts t r u c t u r e s 3 a u t o m a t i cd e t e c t i o ne q u i p m e n to fg e a r - s h a f tp r e c i s i o na n dt h ed e t e c t i o nd a t a p r o c e s s i n gs y s t e ma r ed e v i s e db a s e do nt h ed i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r 1 1 1 ed e s i g nm a d e t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fd i s t o r t i o ng r a d ea n db e n dd i r e c t i o nc o m e si n t ot r u e 1 1 1 e d e t e c t i o nr e s u l t sc o u l d b ed i r e c t l ys h o w no nt h es c r e e no fap co rp r i n t e di na p i e c eo f 4 t h es t r a i g h t e n i n gd e s k ，i n c l u d i n gt h ed e t e c t i o ns y s t e mo fd i s t o r t i o ng r a d ea n d t h ed r i v i n gs t r u c t u r eo f m e c h a n i c a lp a r t s ，i sc o m p l e t e d 5 a ni n t e g r a t i v es u p p o r ts y s t e mo fd i f f e r e n tk i n d so fg e a r s h a f tp a n si sd e v i s e d o nt h eb a s i so fs t r a i g h t e n i n gt h e o r ya n ds t a t i s t i c sd a t a k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nc a s e ，g r e a rs h a f t ，s t r a i g h t e n i n g ，h y d r a u l i c s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ， s e m i a u t o m a t i ci m p r o v e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：脚年睑月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇澎而游 新签名 签字日期：呻妒年厶月彩日 签字日期：彬么月芦日 天津大学硕士学位论文 第一章校直工艺概述 第一章校直工艺概述 汽车工业的发展带动了以加工汽车变速箱为主的齿轮企业的发展，年产量急 剧上升，并进入了大规模生产的行列。齿轮轴是汽车变速箱中的重要零件，在机 械加工过程中其轴心线会产生弯曲变形，为满足精度要求，需要通过校直工艺矫 正变形量。本论文面向的某齿轮有限公司，现在每年需d i i 二百余万件齿轮轴， 全部需要经过校直工艺校直。目前国内多数企业采用y h l 0 4 0 液压压装机提供 校直力，由人工手动检测定位并控制液压机进行齿轮轴校直，校直效率低下，校 直质量不稳定，提高校直精度和校直效率成为提高企业生产效率的关键。采用自 动校直设备或对现有液压校直机进行自动化改造，是提高液压校直机校直效率和 精度的重要措旌。在校直理论方面，国i 为j b 科研人员进行了大量的研究工作，并 取得了众多成果，在此基础上开发出了全自动精密校直液压机产品。由于在全自 动精密校直液压的设计过程中所依据的数学模型是建立在光轴校直基础之上的， 应用于形状复杂的齿轮轴校直时，存在着一定的误差，因此在实际工作中，使用 全自动校直机进行汽车变速箱齿轮轴的校直还未达到人们期望的程度。 1 1 校直与校直技术 1 1 1 校直概念及其分类 校直是消除材料或零件的弯曲、翘曲、扭曲等缺陷的机械加工方法【1 。从加 工形式上分，校直有手工校直和机械校直两大类。手工校直是用手工工具在铁砧、 虎钳或专用平台上进行的，由人力借助简单机械完成校直操作，适用于单件小批 量的小型零件校直加工。机械校直是在校直机、压力机或专用校直机械上进行的， 由校直机械提供校直动力。按校直机的自动化程度，机械校直机又分为人工操作、 半自动和全自动等种类，适用于中、大批量零件的校直加工。按校直原理，校直 又分为塑性变形校直和火焰校直( 矫形) 。依靠塑性变形实现校直的校直方法有 拉伸校直、滚压校直和压力反弯校直等。对于屈服应力较小的低碳钢线材和有色 金属型材，一般采用拉伸校直；对于槽钢、角钢、工字钢和圆钢等高强度型钢材 料，多采用滚压校直；对于精度要求较高的半成品或使用过程中发生变形的棒状 轴类零件，普遍采用压力反弯校直。火焰校直( 矫形) 适用于精度要求较低、尺 寸较大的板材矫形和柱状零件校直。 天津大学硕士学位论文 第一章校直上艺概述 对于绝大多数轴类零件，热处理前后工序间的加工余量为0 2 o 5 m m ，而 热处理变形量也在同样的数量范围之内，对于重要的轴类零件，如本文研究的对 象变速箱齿轮轴，在工艺设计中要求1 0 0 校直。齿轮轴校直之后，再进行下面 的各种精加： 工序，如磨轴、磨齿等。 1 1 2 校直技术概述【2 】【5 1 随着科学技术的发展，校直技术经历了手工校直、机械校直、半自动校直和 自动校直的发展历程。由于不同企业韵技术水平和生产规模不同，各种校直方法 共同存在，在同一企业中也同时采用不同的校直方法用于不同零件的校直，以追 求生产效率和经济效益的最大化。 用手工工具在铁砧、虎钳或专用平台上主要通过人力进行的手工校直，在企 业中已经大部分淘汰，但对于汽车变速箱中的具有细长结构的输出轴( 以后简称 轴) ，即使生产规模达到十几万件中型齿轮企业，仍然广泛采用手工锤击校直 工艺，这种校直方法的校直效率和校直精度完全取决于操作工人的感觉和经验。 经过比较，对于结构和变形均复杂的轴类零件，虽然人工校直的校直精度不稳定， 但是一个经验丰富、技能娴熟的技术工人校直某些轴类零件的工作效率，能够和 一台先进的全自动校直机相差无几。正是这一原因，自动校直机在我国的应用并 不普及。但是随着生产规模的不断扩大，以及用户对产品质量的要求不断提高， 高效率和高质量稳定性的全自动校直机开始受到重视。尤其是在汽车工业高度发 大的日本、欧美等国家，从几十年前就着手于校直理论和自动校直设备的研究与 开发，并在世界范围内取得领先优势。我国也继西方国家之后进行了这方面的研 究开发，并在理论研究和实际应用方面取得了许多成果。 在工程实践中，我国培养了大批技术精湛的优秀技术工人，加上我国工人工 资低廉，企业决策者更倾向于对现有设备进行改造，充分发挥现有设备和技术工 人的优势。因此，我国多数汽车变速箱制造企业在适应用户需求增长的设备更新 改造环节中，采取引进半自动设备和改造现有设备的策略。即使汽车工业高度发 大的日本汽车公司，在轴类零件校直的工艺环节，在先进的自动化设备和有人工 操作的半自动化设备之间，也更倾向于后者。实际上还是校直理论的不够成熟而 导致的效率问题，以及全自动校直机的价格问题制约着全自动校直设备应用【6 j 。 1 2 轴类零件校直理论和校直设备现状 轴是众多机械设备的重要零件，轴的制造精度直接影响到机械运行的平稳 性，进而影响部件或整个机械设备的工作精度、能量消耗和寿命。汽车变速箱齿 天津大学硕士学位论文 第一章校直工艺概述 对于绝丈多数轴类零件，热处理前后工序间的加工余量为0 2 o5 r a m ，而 热处理变形量电在同样的数量范围之内，对于重要的轴类零件，如本文研究的对 象变速箱齿轮轴，在工艺设计中要求1 0 0 校直。齿轮轴校直之后，再进行下面 的各种精加： 工序，如磨轴、磨齿等。 1 1 2 校直技术概述【2 】 5 】 随着科学技术的发展，校直技术经历了手工校直、机械校直、半自动校直和 自动校直的发展历程。由于不同企业韵技术水平和生产规模不同，各种校直方法 共同存在，在同一企业中也同时采用不同的校直方法用于不同零件的校直，以追 求生产效率和经济效益的最大化。 用手工工具在铁砧、虎钳或专用平台上主要通过人力进行的手工校直，在企 业中已经大部分淘汰，但对于汽车变速箱中的具有细长结构的输出轴( 以后简称 i 轴) ，即使生产规模达到十几万件中型齿轮企业，仍然广泛采用手一锤击校直 工艺，这种校直方法的校直效率和校直精度完全取决于操作工人的感觉和经验。 经过比较，对于结构和变形均复杂的轴类零件，虽然人工校直的校卣精度不稳定， 但是一个经验丰富、技能娴熟的技术工人校直某些轴类零件的工作效率，能够和 一台先进的全自动校直机相差无几。正是这一原因，自动校直机在我围的应用并 不普及。但是随着生产规模的不断扩大，以及用户对产品质量的要求不断提高， 高效率和高质量稳定性的全自动校直机丌始受到重视。尤其是在汽车工业高度发 人的日本、欧美等国家，从几十年前就着手于校直理论和自动校直设备的研究与 开发，并在世界范围内取得领先优势。我国也继西方围家之后进行了这方面的研 究开发，并在理论研究和实际应用方面取得了许多成果。 存工程实践中，我国培养了大批技术精湛的优秀技术工人，加上我国工人工 资低廉，企业决策者更倾向于对现有设备进行改造，充分发挥现有设备和技术工 人的优势。因此，我国多数汽车变速箱制造企业在适应用户需求增长的设备更新 改造环节中，采取引进半自动设备和改造现有设备的策略。即使汽车工业高度发 大的日本汽车公司，在轴类零件校直的工艺环节，在先进的自动化设备和有人工 操作的半自动化设备之间，也更倾向于后者。实际上还是校直理论的不够成熟而 导致的效率问题，以及全自动校直机的价格问题制约着全自动校直设备应用【6j 。 1 2 轴类零件校直理论和校直设备现状 轴是众多机械设备的重要零件，轴的制造精度直接影响到机械运行的甲稳 性，进而影响部件或整个机械设备的工作精度、能量消耗和寿命。汽车变速箱齿 性，进而影响部件或整个机械设备的工作精度、能量消耗和寿命。汽车变速箱齿 天津大学硕士学位论文 第一章校直工艺概述 轮轴结构复杂，工艺过程环节多，精度要求高，齿轮轴的精度将直接影响变速箱 的平稳性、噪声水平、综合效率和工作寿命。据不完全统计，我国年产轴类零件 约1 0 亿件左右，需要经过校直工艺的约占7 0 1 7 j 。目前绝大多数企业仍采用手 工校直方法实施校直工艺，校直质量完全依靠工人的经验，生产效率低，劳动强 度大。用传统的手工校直方法已不能满足生产需要，迫切需要自动校直设备替代 手工校直。我国只有少数大型汽车制造企业引了进国外自动校直设备，但其制造 的核心技术仍未完全掌握。大多数中小型机械加工企业由于经费原因，更希望拥 有具有国内自主知识产权的自动校直设备。为改变这一现状，我国科研人员正在 深入研究校直理论，并在此基础上开发了多种拥有自主知识产权的自动校直设 备，为改进校直工艺技术水平做出了贡献。 1 2 1 轴类零件校直工艺及其理论研究现状【3 l 轴类零件校直工艺理论是校直工艺理论研究中的分支，对于特定企业，其轴 类零件具有尺寸、形状以及精度相对稳定均衡的特点。一般情况下，轴类零件较 其它零件或材料的校直有批量大、精度高等特点。轴类零件校直工艺理论是以实 心圆柱轴为主要研究对象，应用现有的弹塑性理论，在总结传统手工校直工艺方 法的基础上发展起来的。通过科研人员的多年努力，逐步建立了适合自动校直设 备设计及制造的数学模型，总结分析了影响轴类零件校直精度和校直效率的各种 因素，逐步完善和优化了轴类零件校直工艺数学模型。目前，国内对钢材多辊式 校直理论研究已经日趋成熟，而对单点压力反弯校直理论的研究还处于探索阶 段，现有的数学模型和理论公式一般建立在较多的基本假设下，对于实际应用有 一定的指导意义，而直接应用于校直参数的计算尚有较大误差。在现有文献中， 典型的校直理论有如下几种。 基于弯曲变形初始曲率的反弯校直理论【6 l 【”。该理论基于传统的弹塑性理论， 并作了如下假设： 金属材料连续均匀，且各项同性。 零件弯曲符合伯努力平面假说。 假定弯曲过程中中性轴偏离很小，计算中可忽略。 该理论在己知初始弯曲曲率的前提下，以校直过程中截面的弹区比和塑弯比 之问的对应关系为基础，建立了反弯挠度和曲率之间的关系方程，据此可以求出 满足校直要求的反弯挠度。该理沦采用弹塑性理论方法解决校直量的计算问题， 虽然具有一定的理论意义。但由于该理论的前提是已知弯曲零件各截面的初始曲 率，而初始曲率的检测确定有一定的难度，需要根据检测数据通过数值算法拟合 实现，在实用中计算难度大准确性差。而且，轴类零件的弯曲变形复杂性，很难 天津大学硕士学位论文 第一章校直t 艺概述 找到一种合适算法适用于各种零件的曲率计算。因此实用中不能保证校直精度， 难以在校直实践中应用。 文献 4 】从应用角度，依据大量实验研究和数值计算，经典算法中导致校直误 差的几种原因，总结出弹复量的非线性曲线，结合实验中轴类零件的金属力学性 能，提出了修正校直工艺行程计算方法。此文献提出的修正校直工艺行程算法进 一步提高了校直精确性，并考虑到曲率的测量困难，建立了下压量和力矩、初始 弯曲变形问的联系，使得自动校直设备控制设计得以实现。但基于行程的校直算 法以检测到的校直行程作为反馈信号，校直系统的各种随机误差将严重影响校直 效果。文献【1 1 1 1 1 2 1 提出了基于最大变形量的校直参数算法，算法简单，但计算 误差大，校直循环次数多，不过用于半自动校直有较大的指导意义，更方便于实 际应用。 以上文献所提出的算法都是基于轴类零件仅有一个弯曲的情况，对多弯曲情 况的轴类零件校直问题没有加以讨论。实际上，轴类零件弯曲情况多种多样，校 直过程还可能带来新的非期望变形，要消除一点处的弯曲，在多数情况下需要通 过多次反复校直才能完成，在复杂弯曲的情况下更是如此。因此，关于校直理论 还有很多问题有待于研究解决。 1 2 1 2 校直机的种类及其发展概测6 】| 7 1 8 】 现有校直机主要有“门”型和c 型两种结构，其结构如图l 一1 、图1 2 所示。 ， | x 庐i 声i 积 f、 234567 1 “门”型校直机结构示意图 1 、机架2 、横梁3 、液压压头4 、工件5 、砧铁( 支撑) 6 、工作台 7 、支架 天津大学硕士学位论文 第一章校直工艺概述 j f 百 j 一 f r4 in 三 图l 一2 “c ”型校直机结构示意图 l 、机架2 、液压压头3 、工件4 、支架5 、工作台 传统的校直机多为“c ”型结构，多数国内企业直接使用y 系列单柱校正压 装液压机进行校直。该产品自动化程度低，使用中由操作工人人工检测轴类零件 的变形情况，校直过程中监测校直载荷( 液压压力) ，凭经验校直，校直精度低， 校直效率取决于工人的技术水平和熟练程度。因压装工艺与校直工艺对设备和液 压系统要求不一样，企业应用必须经过改装，增设相应的工装辅具。 国内少数企业和高校的科研机构对“c ”型校直( 压装) 机进行了自动化改 造，提高了其自动化程度，校直精度有所提高，如合肥工业大学与合肥压力机械 厂合作研制的系列手动单柱精密校直液压机。该机的最大校直力为l o o k n ，采用 移动式液压伺服控制，具有压力、行程和油温数字显示和预置功能，其代表型号 为y h z l o y h z 4 0 。此外，长春试验机厂也开发了全自动液压校直系列产品。上 述校直机械已经在国内个别企业中得到应用。 “c ”型校直机的校直特点是压校点固定，依靠调节各支撑块的位置和工作 台的横向位置来完成零件不同部位的压校工艺。手动操作时由人工手动调节，半 自动校直时部分手动部分自动调节。由于“c ”型结构下装卸零件的运动方向不 可能同生产线的运动方向一致，全自动校直时将校直工艺同生产线结合需要设计 复杂的零件取送机构。因此“c ”型一般不用于高速的生产线，主要用于手动调 节、半自动校直生产。“门”型结构校直机可以直接横跨安装在生产线上，可以 很容易地同生产线组合，多用于全自动生产线。 目前国外的全自动精密校直液压机产品主要有日本东和精机株式会社生产 天津大学硕士学位论文第一章校直工艺概述 的a s p 系列智能型校直机和意大利g a l d a b i n l 公司的l i n 9 0 型自动校直机产 品。a s p 系列智能型校直机国内已有厂家引进，a s p l 0 2 c d 的价格为3 7 万美元 ( 1 9 9 1 年价格) 。意大利g a l d a b i n i 工公司的自动校直设备具有最高的技术水平， 主要向福特、克莱斯勒、雪铁龙、沃尔沃等汽车制造商供货。这些设备采用c 型机身，使其具有很好的易接近性和灵活性，通过使用单一压头和移动工作台结 构方式，可达到很高的校直速度。l t n 9 0 型校直机的校直精度为o 0 1m l n ，校直 小型零件的最大产量为4 0 0 件4 , 时。 上世纪八十年代末，国外发达国家先后研制出本国的自动精密校直液压机， 技术水平提高很快。德、意、日等国家已经开发出了品种规格齐全，高精度、高 智能的系列自动校直机产品。这些校直机的校直滑块定位精度可达0 0 1m m ，可 满足精密校直工艺的要求。轴心线检测可用百分表量，可用光柱，也有用计算机 系统对工件进行在线检测、记录，并进行质量分析。测量结果可在视屏上显示， 不仅能反映零件弯曲状况，还能以灯光表示工件的“好”、“坏”、“需要修正”等 信号。测量结果能自动保存，满足多点校直工艺的所有要求。有的自动校直机上 配有裂纹检测装置，可及时发现加工过程中工件产生的裂纹，并能显示和自动停 机。由于此类校直机附件齐全，可满足多种轴类零件校直工作的需要。目前开发 出的附件不仅可满足光轴、台阶轴的校直需求，也可满足齿轮轴、花键轴、凸轮 轴和曲轴的校直工艺需要。由于新的附件不断出现，校直工艺范围也在不断扩大。 上述生产自动校直机的公司都发展了适应大、中批量生产的全自动校直机。这些 设备均配备有专用数控系统、校直工艺决策系统、轴类零件数据库、自动检测系 统和质量分析系统，有良好的人机对话功能和故障检测功能。 国内在自动校直设备的研究方面落后于发达国家。合肥工业大学自动校直技 术研究所，于2 0 0 1 年推出了y h 4 0 2 5 手动系列伺服校直液压机，该设备己通过 鉴定，达到国外九十年代水平。该机采用框架“c ”型机身，配以贯通式送料系 统，使校直机具有良好的操作性和自动生产线布置的灵活性。使用多压头和多铁 砧自动组合工作，高速校直工艺范围大，校直精度高，可满足不同轴类零件的校 直工艺要求。 1 3 论文主要研究内容 唐山某齿轮有限公司是我国大型汽车变速箱制造企业之一，年产各种类型的 成套汽车变速箱3 0 万套。每套变速箱有齿轮轴两到三根，需要校直齿轮轴约占 8 5 。现在该企业采用8 台y h l 0 4 0 压力机，由3 0 余名技术工人凭经验手工校 直所有齿轮轴，校直效率和校直精度在很大程度上取决于操作工人的经验和技术 天津大学硕士学位论文第一章校直工艺概述 水平。企业工程技术人员曾经考察了兄弟齿轮制造企业齿轮轴校直工艺装备情 况，对于采用自动校直机校直齿轮轴的企业的校直工艺过程进行了考察。考察结 果发现，由于校直工艺需要多次重复完成，零件检测占用了大量时间【2 “，在现有 人力成本和现有技术工人的条件下，废弃现有液压校直机，投入大量资会购置先 进校直设备，在经济上并不合算，因此决定对现有校直机进行局部自动化改造， 将现行的手工检测改造为自动检测。主要目的是提高零件误差检测效率和准确 性，同时统计齿轮轴变形规律，为改善相关工艺减小齿轮轴变形提供统计数据。 欲开发的自动检测系统主要为在线检测显示，并实现数据存储。在线检测数据显 示可以为操作工人提供校直操作数据，供操作工人参考，存储数据用于分析齿轮 轴轴心线弯曲变形的特点和规律。校直机的局部自动改造，将大大提高手工校直 工艺的效率和质量，进一步提高变速箱产品质量，提升企业的市场竞争力。 本论文将结合企业实际充分利用现有的传感器技术、数据处理技术和计算机 技术，设计必要的机械机构，参考现有自动校直设备的结构和控制原理，针对齿 轮轴人工校直工艺中出现的影响校直精度和校直效率等多方面问题，进行深入分 析研究设计出符合企业实际的自动检测系统。 本文主要工作有以下几个方面： 1 ) 在分析已有文献的基础上，论述轴类零件在校直过程中的应力、应变等 参量变化规律。 2 ) 对系列齿轮轴零件变形规律进行统计研究，根据统计结果进行支撑定位 机构设计。 3 ) 设计基于位移传感器的计算机自动数据采集和处理系统，实现齿轮轴弯 曲变形和弯蓝方向的自动检测，以及检测结果的显示输出。 4 ) 对校直工作台进行设计，包括齿轮轴弯蓝变形自动检测机构、工件转动 驱动等结构。 5 ) 针对现有不同种类的齿轮轴零件，在统计数据的基础上，依据校直理论 设计了组合支撑结构。 天津大学硕士学位论文第二章轴类零什校直理论基础 第二章轴类零件校直基础理论 目前应用于校直机控制的校直参数计算方法有载荷计算法法和行程计算法 两类，两种算法均来自于手工校直实践，是对工人手工校直控制经验的总结和理 论分析。技术工人在使用液压机进行的校直操作中，一部分工人依据测量结果和 特定轴的校直经验，在支撑点相对稳定的前提下，控制校直压头的液压压力达到 反弯校直的目的，另一部分工人针对测量出的变形量控制液压压头的有效行程达 到反弯校直的目的。目前推出的自动校直机也同样有两大类控制算法，即最大变 形一压校载荷算法和最大变形一校直行程算法。 2 1 单点下压反弯校直力学原理 单点下压反弯校直是轴类零件校直的主要形式，文献【4 】 5 】对此做了大量的 工作。其主要结论为校直工艺参数的计算提供了理论基础，解决了有限支点和固 定压点情况下校直时存在的问题。 2 1 1 反弯校直力学模型删f 5 】f 1 1 】【1 2 】f 3 l 】 反弯校直反弯校直工艺均采用两支点单压校点的校直方法，校直过程的弯 曲变形符合材料力学原理，反弯校直工艺的校直力学模型可采用材料力学中简支 梁模型。材料力学中关于简支梁中点挠度公式的讨论是解决压点、支点组合问题 的主要依据。轴的反弯校直力学模型如图2 1 所示。 、 b p ll l l 一： 么 支点1 刊i 坚点 刮 l z 图2 - - l 轴的反弯校盲力学模犁 天津大学硕士学位论文第二章轴类零件校直理论基础 建立如图所示的x o y 坐标系，压点距两支点的距离分别为a 、b ，f 为支点 间的距离。当压校载荷为p 时在x 点处的挠度y 可由下式计算1 1 i ： f 一嚣劳( f 2m x 2 一b 2 ) 一( o sx d ) 垆1 一器弦+ k 邮矧) j 式中：，：丛 6 4 e = 2 0 6 g p a ( 2 - 2 ) 显然当a = b 时，校直过程中的最大挠度点在中点，当a c b 时，最大挠度点 在式2 - 1 的极值点处。对式2 1 两端积分有： 塑=卫02623工2)dx6 e i l 、 7 求极值点，可得 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 当集中力p 无限接近右端支点时，即b 接近0 ，可以忽略不计。所以有 z _ j 竽= 万l o s s ，牡1 | | 丁2 万刮。5 5 7 。 ( 2 5 ) 式2 5 说明即使在压点极端靠近右支点时，发生最大挠度的截面仍然在中点附近。 虽然公式2 1 2 5 讨论的是材料的弹性变形，但由以上分析可知，在校直过 程中支撑点的布置将决定最大变形处的位置，压校点的位置仅影响校直载荷的大 小，对于变形点影响不大，这一结论对于齿轮轴校直具有重要意义。因为校直齿 轮轴时，校直压校点和支撑点是由齿轮轴结构决定的，支点组合是有限的，因此 设计自动校直机时必须考虑到这些因素，要进行校直载荷( 或校直行程) 的修正。 以上讨论的是光轴单一弯曲的弹性变形情况，事实上齿轮轴的变形应当是空 问曲线，实现校直功能的是残余的塑性变形；齿轮轴也不是光轴，存在多个轴肩 ( 齿轮) 的阶梯轴，由于轴肩的存在，公式2 - 1 中的i 是变化的，由于材料和热 孚 ，y 天津大学硕+ 学位论文第一二章轴类零件校直理论基础 处理的差异，e 也是变化的，因此工程计算中直接使用公式2 1 有很大难度。 2 1 2 校直工艺的弹塑性理论5 】1 3 4 l 反弯校直的目的是使轴类零件产生不可回复的塑性变形。在公式2 1 中， 当反弯校直载荷p 超过一定限度后，零件将在局部范围产生一定塑性变形，如果 在卸载后残留下的塑性变形值和零件初始弯曲变形值相当，且方向相反，零件即 能被校直【5 】。校直实践中，一般通过控制校直量来现零件的预期局部变形。校直 量的控制主要有校直载荷控制和校直行程控制两大类。 工人在手工校直时，不管是控制校直行程还是控制校直载荷，凭借的都是校 直经验。对一批具有相同初始弯曲变形特点的轴类零件，如果校直压点和支点组 合是固定的，操作者可根据经验将可能出现的初始弯曲变形值划分成几个区域。 控制校直行程时，在校直机立柱上标定相应的校直行程记号，以后的校直中，就 以此为依据控制滑块行程进行校直；控制校直载荷时，在压力表上同样标明相应 的记号，以此控制校直载荷。多年的校直实践表明，上述两种方法对单弧度弯曲 轴类零件校直是有效可行的。经验法为理论上建立行程控制校直量计算方法提供 了实践基础，但这两种方法对复杂弯曲变形轴类零件的校直，存在效率的和废品 率高的缺陷，主要原因是材料在多次校直变形后，材料的参数己变化，不再符合 以前的经验。 图2 - 2 单点下压反弯校直示意图 经典弹塑性理论是基于曲率变化的”，该理论依据曲率变化研究校直过程的 弹塑性变形问题，其基本原理如下。在图2 一l 中的压校点a 附近取一微小弧段 a b ，考察这一微小弧段在校直过程中的弹塑性变性情况。设a 点初始曲率半径 天津大学硕+ 学位论文第二章轴类零什校直理论基础 为p o ，a b 对应的角度, 8 0 ，则由弧长公式得相应的曲率k o 为： = 瓦1 = 否f l op b a b ( 2 6 ) 整个压校过程可以简化为三个特殊状态：初始状态，初始曲率k o ( y o ) ；压校 极限状态，极限曲率k e ( y e ) 卸荷后保留了塑性变形的终了状态，最终曲率敝) 。 这一过程如图2 2 所示。 在图2 2 中，若设总弯曲曲率为置( y f ) ，塑性变形曲率为x x y 。) ，则它们与 初始曲率k o ( y o ) 、弯曲后曲率k e ( y e ) 、最终曲率斛的的相互关系为： 托= k o + 疋 ( 2 - 7 ) 墨= k o + k ( 2 - 8 ) 反弯校直要求校直后残留变形和初始弯曲变形相等，即k = o ，丘= k o 时可 实现校直。依据文献 1 2 ，圆柱光轴弹塑性变形时，x 截面处( 如图2 1 ) 所需要 的内弯矩为： m ( x ) = o s r 3 巴厅+ 可a r c s i n ：弓厕 协。， 其中：f 弹曲比，f = 瞄 os 屈服极限 尺光轴半径 实践证明上述计算方法中存在误差，存在误差的可能原因有：( 1 ) 弹复量是 外载的非线性函数。( 2 ) 零件的校直过程处于复杂应力状态下，不是简单的拉 伸过程，直接表现为弹性模量e 值与单向拉伸时相差很大，影响校直精度。( 3 ) 校 直过程对加载方向是敏感的。( 4 ) 支点定位可能使零件产生弯扭组合变形。 2 2 基于载荷的校直量计算【3 3 】 由于液压压装机使用一只压力表显示主液压缸内的液压油压强，工人可以依 据经验判断特定齿轮轴支撑和压点组合下，不同变形量对应的校直载荷。在自动 校直机设计中，也可以比较方便的使用压力传感器识别这一输出量，基于载荷的 校直量计算理论符合校直机半自动改造设计的要求。研究校直载荷和弯曲变形间 的关系，对于指导校直工艺具有重要意义。 天津人学硕士学位论文 第二章 轴类零件校直理论基础 2 2 1 力学模型 对于光轴建立图2 - - 2 所示的坐标系。有塑性变形的横截面的应力分布情况 r 1 一 ， 一 一 ， 一 图2 - 3 受集中载荷的光轴简支梁示意图 图2 4 截面弹塑性应力 如图2 - 4 所示。 依据弯曲梁的基本假设，梁弯曲受力弯曲后各个截面弯曲挠度为：一( z ) ， 在弹性限度内轴向应变为：占。：z 下dk w ，轴向应力为：o ： 。x e z d 2 w ax a x 当集中载荷达到某一数值时，最大载荷点z = r 处同时开始屈服，屈服区 间为( 一r ，一j ) 和( d ，r ) 。不同截面上d 不同，j = 6 ( x ) ，发生塑像变形 不同截面上的应力分布为： c r ( x ) - - o - s z i 盯一 盯j ( 2 - 1 0 ) m ( x ) ：_ d r y ( x ) 扣z 纛，厨+ 净删n 静。厅可q j u 在上式中，当5 一只时，可得到弹性极限弯矩m s ms=xdr3盯。(2-12) 2 2 2 载荷计算【1 3 】【3 5 1 在图2 - - 3 中，若p 作用于中点，则在梁上产生的最大弯矩为： 天津大学硕士学位论文第二章轴类零件校直理论基础 m 一：1 p i ( 2 。1 3 ) 假设轴开始发生塑性变形的载荷为n ，由式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 可得 p s = 7 rr 3 盯 2 ， 4 其他截面上同样发生塑性变形时，对应的弯矩为 胁g ) = 昙尸( f x ) 式( 2 1 5 ) 与( 2 9 ) 比较有 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ；p q 叫训证厅+ 警咭厕 ( 2 - - 1 6 ) 虽然困难，但理论上压校过程中的各种状态下轴的曲率是可测的，因此在设 计开发校直机测控与数